Часть 8 — Ускорители схватывания и твердения в технологии бетонов

6.9.5.1 Некоторые методологические замечания к вопросу предварительного разогрева бетонов…

Очень интересные исследования были проведены проф. Иваном Андреевичем Кириенко в начале 30-х годов. И хотя он специализировался на методологии ведения бетонных работ на морозе, вопросу предварительного разогрева бетона уделил самое пристальное внимание т.к. это один из способов ведения работ на морозе.

Замечательные исследования. Дотошные, скрупулезные, убедительные, парадоксальные в выводах. …. И забытые.

По поводу именно этих исследований, корифей мирового “зимнего” бетонирования Сергей Андреевич Миронов сказал, уже в наше время, буквально следующее: “… К сожалению, указанные выше отправные положения технологии бетона о влиянии температурного фактора на консистенцию бетонных смесей и прочность бетона, разработанные еще в 30-е годы многими учеными, в настоящее время при разработке новых технологических приемов повышения температуры бетонных смесей до укладки порой остаются без внимания. Это приводит, как правило, к серьезным заблуждениям ряда исследователей, оценивающих преимущества того или иного способа предварительного разогрева бетонных смесей.””

Осмелюсь озвучить отдельные положения его исследований, тем более что они самым неожиданным образом перекликаются с темой ускорения времени распалубки и прочности пенобетонов.

6.9.5.1.1 Влияние температуры среды на количество воды для получения теста нормальной густоты (НГ).

С изменением температуры меняется и количество воды, потребное для получения теста нормальной густоты. Это изменение отражает формула:

W = W20 x ( 1 + 0.004 x (t – 20) )

где:

W – водоцементное соотношение для (НГ) при искомой температуре;

W20 – водоцементное соотношение для (НГ) при температуре 20оС;

t - реальная температура цементного теста (среды).

Из этой формулы следует очень важный вывод практического характера. А именно – с изменением температуры цементного теста (среды) изменяется и количество воды для получения теста нормальной густоты. Иными словами - изменяя температуру цементного теста с +20оС до +100оС требуется и воды добавить – целых 34% от первоначального. А раз так, то рецептура т.н. “теплых бетонов” разогреваемых до укладки должна обязательно предполагать и увеличение количества цемента – но это к нам не относится, греть будем уже после укладки (смотри далее).

А если пойти от обратного, - количество воды в системе осталось неизменным, но повышение температуры из-за саморазогрева УЖЕ УЛОЖЕННОГО бетона подкорректировало реальное В/Ц в сторону уменьшения. И если мы работаем с далеким от оптимума, но достижимым исходя из технологических особенностей конкретного производства В/Ц=0.6, нагрев бетон до +100оС уменьшает наше В/Ц на весь период поддержания такой температуры на треть – до В/Ц=0.4!!!!! – чуть ли не теоретический оптимум – залог, как высокой прочности, так и быстрого её набора. Произошедшее при этом значительное повышение жесткости смеси нам только на руку – ведь пенобетонная смесь уже поризована и уложена, и падающую несущую способность разлагающейся пены вовремя поддержит повысившаяся структурная вязкость цементной матрицы.

6.9.5.1.2 Влияние температуры среды на всасывающую способность песка и щебня.

В бетонных работах при выборе водоцементного отношения обычно вводят поправку на водопоглощаемость заполнителей. Имеющиеся данные о водопоглощаемости песка и щебня, как правило, справедливы для нормальной температуры +20оС (Здесь и далее акцентируется внимание именно на водопоглощении песка, не путать с водопотребностью – производной от пустотности песка).

Между тем всасывающая способность песка и щебня зависит от структуры материала, от его капиллярной решетки, термического состояния и влажности окружающей среды. Изменение всасывающей и водопоглощающей способности песка и щебня мало изучено. Это исключительно важно при бетонных работах, когда происходит значительный нагрев песка и щебня до температур свыше 30њС. Но если нагрев заполнителя ведется до его введения в состав бетона, накопившаяся влага, после нормализации температуры увеличивает В/Ц. Если же осуществляется нагрев заполнителя который уже находится в составе бетона – происходит снижение В/Ц на весь срок подобного термовоздействия.

Капиллярные свойства песка и щебня в значительной степени влияют на истинную величину водоцементного отношения. С учетом этого были проведены научно-исследовательские наблюдения над кварцевым песком и щебнем из гранита и песчаника при температуре 20, 40, 60, 80 и 100њС. Нагревание материалов производилось в термостате, где для каждой группы образцов устанавливалась постоянная температура при помощи ртутною термометра. Были получены следующие результаты:

1) Всасывающая способность песка и щебня усиливаются с повышением температуры (см. Таблица 69512-1 и Таблица 69512-2);

2) Влагоемкость крупного заполнителя (щебня) значительно меньше, чем мелкого (песка) и оно менее изменчиво под воздействием температурного фактора. Это объясняется возникновением в крупных щебенках гидравлических пробок в крупных порах. В мелких щебенках, а тем более в песке, крупных пор, уже становящихся по своим геометрическим размерам соизмеримыми с крупинкой песка или щебня, гораздо меньше. Преобладают мелкие поры в которых в полной мере начинают работать капиллярные силы.

3) С увеличением температуры подогрева влагоемкость щебня сильно увеличивается; так, при увеличении температуры от +20оС до +100њС влагоемкость гранита и песчаника возрастает вчетверо (см. Таблица 69512-2);

4) Абсолютная величина всасывающей способности и влагоемкости песков и щебня, вследствие их относительно большого объема в бетоне, довольно значительна и влияет на водоцементное отношение. Изменение этой величины под действием температуры, не учитываемое на практике, порождает значительную ошибку в определении водоцементного отношения, а следовательно, проектной прочности и качества бетона.

Следует оговориться, что приведенные на диаграммах данные всасывающей способности и влагоемкости песка и щебня не претендуют на исключительную точность ввиду отсутствия точной методики исследования и разной минералографической и петрографической природы заполнителей в каждом конкретном случае. Но они наглядно отражают общую тенденцию, и это главное.

(В настоящее время методологическая и научная база проведения подобных исследований имеется. Но у теоретического бетоноведения напрочь исчезло желание публиковать на некоммерческой основе и в открытой печати хоть что-то заслуживающее внимания …)

Таблица 69512-1

Влияние температуры и времени выдержки на водопоглощение песка

Примечание: некоторую “непричесанность” данных из этой таблицы следует отнести на издержки эксперимента – он проводился в конце 20-х годов, и проблема термостабилизации решалась на уровне добросовестности лаборанта – электронных терморегуляторов тогда еще не существовало. Более свежих исследований по данному вопросу мне найти не удалось, а все ученые уже более 70 лет именно на данные полученные Кириенко и ссылаются.

Таблица 69512-2

Влияние температуры и времени выдержки на водопоглощение щебня.

А теперь опять пойдем от обратного. Представим, что наша пенобетонная смесь сразу после приготовления вдруг резко, каким то чудесным образом, разогрелась сама собой. Ну, например, до 80оС. Если в этой пенобетонной смеси имеется песок, то в течение первых же 10 минут подобного термического воздействия его влагоемкость увеличится более чем в 5 раз.

Возьмем натурный пример: для приготовления пенобетона при t=+20oC использовали:

- цемента – 450 кг

- песка – 350 кг

- воды - 270 кг (В/Ц=0.6)

Предположим, что сразу после заливки в формы наш пенобетон самопроизвольно разогрелся до температуры +80оС.

Согласно Таблице … под воздействием температуры песок всосал в себя дополнительно (15.30 – 2.81) = 12.49% воды от своей массы.

В нашем случае это составит (350 /100) х 12.49 = 43.72 кг.

В конечном итоге, в результате подобного температурного воздействия, В/Ц стало не 0.6, а (270 – 43.72) / 450 = 0.5

А почему это вдруг пенобетон у нас вдруг самопроизвольно разогрелся до столь высокой температуры? – об этом дальше.

6.9.5.1.3 Влияние температуры среды на сроки схватывания цемента.

Повышение температуры среды, против эталонных +20оС, однозначно ускоряет как начало схватывания, так и его длительность. Её снижение, соответственно, замедляет эти процессы. В качестве примера приводятся данные по одному виду цемента (см. Таблица 69513-1).

Таблица 69513-1

Изменение сроков схватывания портландцементного теста нормальной густоты в зависимости от температуры.

Эта закономерность справедлива и для иных цементов – при повышении температуры от нормальной (+20оС) до +100оС начало схватывания ускоряется примерно в 4 раза, а окончание схватывания происходит также примерно в 6 раз быстрее.

При понижении температуры до +1оС – начало схватывания происходит примерно в 6 раз медленнее, а сам процесс окончания схватывания растягивается до почти суток – удлиняется в 5 раз. Если не ударяться в температурные крайности, то легко можно заметить, что даже несущественные 5 градусов в сторону понижения, способны настолько удлинить схватывание, что за это время пенобетонная масса, так и не набрав даже толики самонесущих свойств, осядет под собственным весом – ведь запас стойкости самого распрекрасного пенообразователя не безграничен.

А если учитывать влияние нагрева пенобетона и на водопотребность для достижения (НГ) (см. ниже) то по совокупному эффекту нагрев пенобетона приводит к его практически мгновенному внутреннему обезвоживанию. Благодаря этому поризованная масса в течение нескольких минут становится жесткой, а следовательно и самонесущей – её практически сразу можно распалубовать. Под воздействием высокой температуры также многократно ускоряется схватывание и твердение бетона.

Вывод: чтобы пенобетонная масса не оседала нужно её греть. Желательно сразу же после разливки в формы. И обязательно греть посильней. Как это сделать? – об этом в конце.

6.9.5.1.4 Влияние В/Ц бетона на сроки схватывания цемента.

Сроки схватывания, указанные в паспорте на цемент, относятся к тесту нормальной густоты. Именно этими сроками, обычно, и оперируют при моделировании техпроцесса производства пенобетона. Это серьезная ошибка - такое тесто очень жесткое (а зависимости от минералогии цемента, для получения теста нормальной густоты требуется соблюсти В/Ц<0.3) и в практике никогда не применяется. Но при более высоких, реально применяемых водо/цементных соотношениях начало и конец схватывания тоже удлиняются (см. Рис …) и это обязательно следует учитывать в практической работе. Особенно это касается пенобетонной технологии, родовой признак которой повышенное В/Ц при весьма критичном требовании по схватыванию цемента, обусловленном периодом стойкости пены.

Рис. …

нижняя линия – начало схватывания

верхняя линия – конец схватывания

Экспериментально выведены следующие формулы для пересчета начала и конца схватывания, в зависимости от водо/цементного соотношения.

Начало схватывания рассчитывается по формуле:

Нсх = Ннг + (W – Wнг) х 14.5

где: Нсх - время начала схватывания при искомом водо/цементном соотношении

Ннг – время начала схватывания теста нормальной густоты при t=+20оС (из паспортных данных на цемент)

W – реально используемое В/Ц

Wнг – В/Ц для получения теста нормальной густоты при t=+20оС (из паспортных данных на цемент)

Конец схватывания рассчитывается по формуле:

Ксх = Кнг + (W – Wнг) х 36.5

где: Ксх - время конца схватывания при искомом водо/цементном соотношении

Кнг – время конца схватывания теста нормальной густоты при t=+20оС (из паспортных данных на цемент)

W – реально используемое В/Ц

Wнг – В/Ц для получения теста нормальной густоты при t=+20оС (из паспортных данных на цемент)

Пример расчета.

Предположим, что из паспортных данных на цемент известно, что В/Ц для получения теста нормальной густоты Wнг=0.208, начало схватывания теста нормальной густоты Ннг=1.42 часа, конец Кнг=2.45 часа.

Требуется найти начало и конец схватывания для реального водоцементного соотношения W=0.6

Итак, начало схватывания будет равно:

Нсх = Ннг + (W – Wнг) х 14.5 = 1.42 + (0.6 – 0.208) х 14.5 = 7.104 часа

Конец схватывания, соответственно:

Ксх = Кнг + (W – Wнг) х 36.5 = 2.45 + (0.6 – 0.208) х 36.5 = 16.758 часа

Как видим цифры убийственные. Но они убедительно доказывают, что одной из действенных мер ускоренного твердения пенобетона может явиться применение пластификаторов водопонизителей.

6.9.5.1.5 Влияние одновременно температуры среды и В/Ц на сроки схватывания цемента.

Не хотелось Вас окончательно расстраивать, но придется. Дело в том, что повышенное В/Ц и пониженные температуры – вполне обыденная производственная реальность. Если задаться целью выяснить, как они совокупно воздействуют на схватывание бетона – плакать хочется.

Для выяснения степени влияния на сроки схватывания одновременного действия двух факторов была проделана коллосальная научно-исследовательская работа. В результате были предложены математические зависимости, описывающие это явление. В весьма приближенном, но достаточном для практических нужд, виде они описываются следующими формулами:

Начало схватывания рассчитывается по формуле:

Нwt = β х (Ннг + (W - Wнг) х 14.5)

где: Нwt - время начала схватывания при искомом водо/цементном соотношении и реальной температуре

Ннг – время начала схватывания теста нормальной густоты при t=+20оС (из паспортных данных на цемент)

W – реально используемое В/Ц

Wнг – В/Ц для получения теста нормальной густоты при t=+20оС (из паспортных данных на цемент)

β – температурный коэффициент (см. Таблица 69515-1)

Конец схватывания рассчитывается по формуле:

Кwt = β х (Кнг + (W - Wнг) х 36.5)

где: Кwt - время конца схватывания при искомом водо/цементном соотношении и реальной температуре

Кнг – время конца схватывания теста нормальной густоты при t=+20оС (из паспортных данных на цемент)

W – реально используемое В/Ц

Wнг – В/Ц для получения теста нормальной густоты при t=+20оС (из паспортных данных на цемент)

β – температурный коэффициент (см. Таблица 69515-1)

Эти формулы позволяют в любых практических условиях определить сроки схватывания цемента, что особенно важно для изготовления пенобетона как в условиях высокой, так и в особенности, пониженной температуры при разных В/Ц.

Сравнение гладких кривых, получаемых теоретически по этим формулам, очень хорошо “ложится” на чисто экспериментальные цифры, полученные другими исследователями в разное время, что еще раз подтверждает их достоверность.

Таблица 69515-1

Величины коэффициента β в зависимости от температуры.

Примечание: Имеются коэффициенты β и для “северного” варианта, когда лабораторные испытания теста нормальной густоты предписывается проводить при +15оС, но в данной публикации, я их умышленно опустил.

Пример расчета. Для наглядности возьмем предыдущие исходные данные, но пересчитаем их для температуры +15оС – условия, реальней не бывает.

Итак, из паспортных данных на цемент известно, что В/Ц для получения теста нормальной густоты Wнг=0.208, начало схватывания теста нормальной густоты Ннг=1.42 часа, конец Кнг=2.45 часа.

Требуется найти начало и конец схватывания для реального водоцементного соотношения W=0.6 и реально существующей в цехе температуры +15оС.

Начало схватывания наступит через:

Нwt = β х (Ннг + (W - Wнг) х 14.5) = 1.27 х ( 1.42 + (0.6 – 0.208) х 14.5) = 9.02 часа

Конец схватывания, соответственно:

Кwt = β х (Кнг + (W – Wнг) х 36.5) = 1.27 х (2.45 + (0.6 – 0.208) х 36.5) = 21.28 часа

А если “…в цехе нормальная температура +8оС, а пенобетон не встает…” (был такой вопрос на Форуме сайта www.ibeton.ru )?

Подсчет по приведенным выше формулам показывает, что схватывание наступит через 13.85 часа, а закончится оно через 32.67часа с момента приготовления пенобетона!!!!!!!! Поэтому критерий “нормальная температура” для пенобетона – никак не ниже +15оС, а еще лучше 20 – 25 градусов.

6.9.5.1.6 Революция в технологии производства пенобетона? – Нет, эволюция. (Технологический регламент производства пенобетона, позволяюзий производить распалубку через 15 минут после заливки)